Открываешь в REW замер, а под красивой АЧХ висит второй график: какая-то пила, которая скачет от +180 до −180 градусов. Первая мысль: закрыть и не смотреть. Зря. Именно этот график объясняет, почему два ровных динамика вместе дают дыру на стыке.
ФЧХ (фазо-частотная характеристика) показывает, на сколько градусов сдвигается по фазе сигнал на выходе системы относительно входа на каждой частоте. Если АЧХ отвечает на вопрос «насколько громко», то ФЧХ отвечает «насколько вовремя».
Что сдвигает фазу сигнала?
Источников два, и их полезно различать.
Первый: задержка по времени. Звук от дальнего динамика приходит позже, и на каждой частоте это даёт свой сдвиг: φ = −360° × f × τ. Задержка 1 мс на 1 кГц даёт полный оборот, 360°, а на 100 Гц всего 36°. Поэтому на графике чистая задержка выглядит как пила, которая с ростом частоты крутится всё быстрее. Пила появляется, потому что программа сворачивает фазу в диапазон ±180°.
Второй: фильтры и сам динамик. Любой спад АЧХ, будь то фильтр кроссовера или механический резонанс, крутит фазу в районе этого спада. Такие системы называют минимально-фазовыми: у них АЧХ и ФЧХ жёстко связаны.
Разбор на реальном динамике: ESB 9.4m
Возьму ESB 9.4m, который у меня в Mark X стоит во фри-эйр. По паспорту Fs = 135 Гц, Qts = 0,741. Без ящика снизу он ведёт себя примерно как фильтр высоких частот второго порядка на своей резонансной частоте. Модель упрощённая, без учёта салона и акустического замыкания, но порядок цифр она даёт. Посчитал в python:
| Частота | Сдвиг фазы от НЧ-спада |
|---|---|
| 135 Гц (Fs) | +90° |
| 300 Гц | ≈ +37° |
| 1 кГц | ≈ +10° |
Даже на 300 Гц, куда вроде бы «далеко от резонанса», хвост фазового сдвига ещё заметный. Я включаю эти СЧ примерно от 150 Гц, и на разделе с мидбасом к фазе самого динамика прибавляется фаза электрического фильтра. Всё это нужно учитывать, когда сводишь полосы.
На графике для сравнения чистая задержка 0,3 мс, это около 10 см лишнего пути. На 1 кГц она уже даёт −108°, а на 5 кГц несколько оборотов. Отсюда практический вывод: на верхних частотах сантиметры решают всё, на нижних важнее фильтры и резонансы.
Слышна ли ФЧХ сама по себе?
Для одного динамика в основном нет. Работа Липшица, Покока и Вандеркоя (JAES, 1982) показала, что фазовые искажения в середине диапазона слышны, но в заметных случаях на специально подобранных сигналах, и на музыке они проявляются гораздо слабее. Так что гнаться за идеально плоской ФЧХ одного динамика незачем.
Другое дело два динамика на одной частоте. Там разница фаз превращается в разницу громкости: в фазе сумма растёт на 6 дБ, в противофазе проваливается. Об этом статья Фазовая когерентность.
Одна оговорка про ВЧ. Часто пересказывают упрощённо: к фазе на ВЧ слух не чувствителен, направление определяется громкостью. Василий Бондаренко в эксперименте проверил это на паре пищалок. All-pass фильтр в диапазоне 1–8 кГц на одном канале разваливал центральный образ. Одинаковые all-pass на обоих каналах почти не слышались. А шелф ±3 дБ на одном канале образ не сдвигал, менялась только «наполненность» верха. Его вывод: для центра важнее одинаковая фаза слева и справа, чем одинаковая громкость. Абсолютную ФЧХ ты не слышишь, а разницу фаз между бортами слышишь.
Как читать ФЧХ в замере
- Сначала убери задержку. В REW есть поиск задержки по импульсу, без этого пила закрывает всё остальное.
- Смотри на зону раздела: фазы двух полос должны идти рядом, расхождение до нескольких десятков градусов терпимо.
- Не пугайся хаоса ниже 200 Гц в машине. Там фазу крутят моды салона, это нормально.
- Скачок на 180° на всех частотах разом означает перевёрнутую полярность.
Что спросить у установщика
- Смотрит ли он фазу каждой полосы или только АЧХ суммы?
- Как выставлены задержки: по рулетке, по импульсу или по фазе на разделе?
- Какие фильтры стоят на разделах и почему именно такие?
Где ошибаются при чтении фазы
- Считать, что ровная АЧХ полосы означает правильную фазу на стыке.
- Путать «свёрнутую» фазу с реальными скачками. Переход с −180 на +180 это просто перенос графика.
- Крутить фазу all-pass фильтрами до того, как выставлены задержки.
Если фаза на стыке не сходится
АЧХ показывает, насколько громко система воспроизводит каждую частоту, а ФЧХ показывает, на сколько градусов сдвинут по фазе сигнал на каждой частоте. По одной АЧХ не видно, как две полосы сложатся на стыке: две ровные АЧХ при разных фазах дают провал. Поэтому в REW при сведении полос смотрят оба графика.
Расхождение до 30–60° обычно допустимо, это ориентир для стыка. Две полосы одинакового уровня в фазе дают в сумме +6 дБ, при разнице фаз 30° около +5,7 дБ, при 60° около +4,8 дБ, при 90° уже +3 дБ, а при 120° сумма равна уровню одной полосы. Расхождение в несколько десятков градусов сумму почти не трогает, зато 90° и больше уже заметно проваливают стык.
Сначала выставляют задержки, чтобы звук от обоих динамиков приходил одновременно, потом проверяют полярность и подбирают тип и порядок фильтров на разделе. Только после этого, если фазы всё ещё расходятся, применяют all-pass фильтры. Всё это делается в звуковом процессоре по замеру суммы в точке прослушивания, с инверсией одной полосы и без.
Минимально-фазовая система - это система, у которой ФЧХ однозначно задана её АЧХ. Так ведут себя фильтры, резонансы динамика и большинство пиков в замере, поэтому, поправив эквалайзером горб на АЧХ, ты заодно поправишь и фазу в этой зоне. Чистая задержка к таким системам не относится: она крутит фазу при ровной АЧХ.
Свёрнутая фаза уложена программой в диапазон ±180°, поэтому на графике видна пила с вертикальными переходами от −180 к +180. Развёрнутая фаза показывает накопленный сдвиг без этих переносов, например −540°. Переходы свёрнутого графика ничего не значат, это просто способ рисования. В REW можно включить развёрнутую фазу и сначала убрать задержку по импульсу.
ФЧХ смотрят при сведении полос: сначала задержки, потом фильтры, потом проверка суммы. Этот порядок подробно разобран на шаге «Настройка системы». А если нужна отправная точка по АЧХ и кроссоверам, загляни в E.BAEV.Targets.
Не понимаешь, что у тебя на графике фазы? Скинь скрин в EBAEVSQ, расшифруем.
Источники
- S. P. Lipshitz, M. Pocock, J. Vanderkooy, «On the Audibility of Midrange Phase Distortion in Audio Systems», JAES, 1982
- S. Linkwitz, «Active Crossover Networks for Noncoincident Drivers», JAES, 1976
- R. H. Small, статьи в JAES, 1972–1973
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
- Василий Бондаренко, «Влияние фазы и громкости ВЧ на локализацию образов», drive2.ru, 29 января 2024
См. также: Групповое время задержки, Импульсный отклик, Delay, Выравнивание по фазе.